相较于块体材料，二维原子晶体材料因为载流子迁移和热扩散受到了二维平面上的限制，表现出独特的量子效应，并在光学、电学、磁学和力学等方面展现出了新颖的性能，是未来具有广阔应用前景的新型纳米材料。对新型二维材料的合成及在二维极限条件下探索其新的物理和化学性质，是进一步探明性质起源和发掘新性质的潜在应用必不可少的基础。一直以来，合成方法以及材料自身稳定性限制了对新型二维材料的独特性质和潜在应用的探索。尽管理论研究发现二维材料有数千种，但是在自然环境条件下大多数二维材料无法稳定存在，目前在实验中制备成功的二维材料仅有几十种。最近，在石墨和石墨烯表面发现了一些具有非常规化学统计和独特电子且可在常温常压条件下稳定存在的新二维晶体，如2D Na2Cl、Na3Cl [Nat. Chem. 10, 776 (2018)]，以及在还原氧化石墨烯(rGO)膜上具有单价钙离子的CaC晶体[Natl. Sci. Rev. 8, nwaa274 (2021)]。另外，新的单层β-CuI晶体和类石墨六方相的碱卤化物晶体已在石墨烯、氧化石墨烯膜等二维石墨烯基材料上进一步合成。新颖的结构往往对应着独特的性质，这极大地激发研究者对这些新型二维材料性质的研究兴趣。
最近，由国科大温研院彭兵权博士、华东理工方海平教授及西安交大张胜利教授课题组联合研究结果表明2D β-CuI晶体在氧化石墨烯膜中表现出意想不到的压阻效应和室温铁磁性。由于β-CuI和石墨烯具有很好的晶格匹配，再加上离子-π的相互作用使得这种2D β-CuI晶体能够在氧化石墨烯膜中稳定存在。本文理论研究也揭示了二维β-CuI的压阻效应机理，表明其优异的压阻效应与二维单层纳米晶体的敏感电子结构和柔韧性有着密不可分的联系。密度泛函理论(DFT)计算结果表明， 2D β-Cu晶体之所以在室温表现出铁磁性是其纳米晶体边缘空位产生的磁矩导致。此外，研究还发现这种2D β-CuI晶体在900 K以下的宽温度范围内可稳定存在于石墨烯层间。同时，β-CuI在700 K和900 K时呈现超离子相，这与先前发现的碘化亚铜在900 K时呈现液相有所不同。之前研究团队已在新型二维CaCl晶体中观察到金属性、室温铁磁性、异质结和类压电性等新颖性质[Natl. Sci. Rev. 8, nwaa274 (2021)]，而压阻效应在rGO膜中的β-CuI中观测到，也表明了这些新晶体与石墨烯的相关作用从而表现出新的电子特性。这些新发现在低功耗压力纳米传感器和原子尺度的磁性纳米器件领域具有潜在的应用前景。同时，这些二维晶体性质的发现也将极大地扩展功能化石墨烯的应用。
上述研究工作获得了国家自然科学基金委、中央高校基本科研业务费、国科大温州研究院启动基金项目、上海和广东超级计算中心等资助。
论文信息：
Unexpected piezoresistive effect, room-temperature ferromagnetism and thermal stability of 2D β-CuI crystals in reduced graphene oxide membrane
Bingquan Peng, Quan Zhang, Yueyu Zhang, Yimin Zhao, Shengyue Hou, Yizhou Yang, Fangfang Dai, Ruobing Yi, Ruoyang Chen, Jun Wang, Lei Zhang, Liang Chen, Shengli Zhang*, Haiping Fang*
Advanced Electronics Materials
DOI: 10.1002/aelm.202201241
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